JPH0437701A - 光導波路の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光スィッチ、光変調器、光集積回路（先Ｉ
Ｃ）等の光デバイスや先コンポーネント等に、急峻な高
屈折率分布を有し光閉じ込め効果に優れた光導波路を形
成する方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年、薄膜作成技術や微細加工技術の発達に伴い、光ス
ィッチ、先フィルタ、光変調器、光集積回路（光ＩＣ）
等の光デバイスや光コンポーネント等においても集積化
か進み、誘電体基板あるＬ）は半導体基板上に光導波路
を形成することが必須になってきている。

この基板型光導波路は、光デバイスや光コンボーネット
等の高性能化、高信頼化、低価格化を実現するために欠
くことのてきないものであり、例えば、光コンポーネン
トにおいては、基板上の光導波路に光デバイスや光ファ
イバを効率良く接合させる際に接続時の光軸調整や接続
後の安定なアライメントが保持されることから、振動や
温度等の耐環境性に優れたものとなっている。

この基板型光導波路の基板材料としては、例えば、光ス
ィッチやハイブリッド先ＩＣ等においては、光伝送損失
が小さいこと、高い電気光学特性を有する（電気光学効
果）こと等の理由から、二才ブ酸リチウム（Ｌ　ｉＮ　
ｂｏ　３）等の誘電体材料がよく用いられており、また
、半導体レーザー等の光デバイスにおいては、高速電子
回路や高速光検出器にも適した材料として、ガリウムヒ
素（Ｇ　ａＡ　ｓ）やインノウムリン（ＩｎＰ）等の化
合物半導体材料が良く用いられている。

ここで、第４図を参照して、誘電体基板であるニオブ酸
リチウム（Ｌ　ｉＮ　ｂｏ　ｓ）基板（以下、単にＬＮ
基板と称する）上に光導波路を形成する方法について説
明する。

■［第４図（ａ）参照］ ＬＮ基板１の表面１ａ全域に、厚みが均一になるように
ホトレジスト２を塗布する。

■［第４図（ｂ）参照］ 光導波路のパターンが描かれたマスク３をホトレジスト
２上の所定位置に載置し、紫外線露光４によりマスク３
の光導波路のパターンをホトレジスト２上に転写する。

■［第４図（ｃ）参照］ ホトレジスト２を現像処理することにより、光導波路を
形成すべき部分のホトレノスト２ａヲＬＮ基板ｌ上から
除去し、ホトレジスト２に窓５を形成する。

■［第４図（ｄ）参照］ スパッタリング法、真空蒸着法、ＥＢ蒸着法、ＥＣＲス
パッタリング法等により、ホトレジスト２上及びＬＮ基
板ｌ上の窓５の部分に均一に拡散材料層６を形成する。

この拡散材料層６は、ＬＮ基板１より高い屈折率を有す
る材料、例えば、チタン（Ｔ　ｉ）、タンタル（Ｔａ）
等により構成される。

■［第４図（ｅ）参照］ 有機溶剤等によりホトレノスト２をＬＮ基板ｌ上から完
全に除去する。これにより、ＬＮ基板ｌ上の窓５の部分
、すなわち、光導波路を形成すべき部分の上にのみ拡散
材料層６が残存することとなる。

■［第４図（Ｊ）参照］ このＬＮＮ基板上拡散炉内に挿入して所定の温度にて熱
処理を行い、拡散材料層６をＬ　′Ｎ基板ｌ内に拡散さ
せ、ＬＮ基板１より高い屈折率を有する高屈折率層７を
形成する。この高屈折率層７が光導波路８となる。

以上の工程の中で■〜■の工程か、いわゆるリフトオフ
法と呼ばれているパターン形成方法である。

第５図及び第６図は、上記の方法によりＬＮ基板上に形
成された光導波路の構造の一例を示す図である。

ＬＮ基板１の表面１ａには、光導波路８が直線状に形成
されている。

光導波路８は、第６図（ａ）に示す様に、ＬＮ基板１の
光導波路を形成すべき部分に高屈折率材料（チタン（Ｔ
　ｉ））を熱拡散し、高屈折率層９としたものである。

ここで、第６図（ａ）はＳＩＭＳ（Ｓｅｅｏｎｄａｒｙ
　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　５ｐｅｃｔｒｏＩＩｌｅｔｒｙ：
二次イオンマススペクトロメトリー）あるいはオージェ
分光分析等により断面方向の高屈折率材料（チタン（Ｔ
　ｉ））の濃度分布を測定した参考データである。

この高屈折率層９においては、高屈折率材料（チタン（
Ｔ　ｉ））原子は、その濃度がＬＮＮ基板上表面Ｉａか
ら内部に向ってなだらかに低下する様に分布している。

この高屈折率層９の水平方向（×方向）及び深さ方向（
ｄ方向）の屈折率（ｎ）分布は、第６図（ｂ）及び（ｃ
）に示す様に高屈折率材料（チタン（Ｔｉ））原子の濃
度分布に依存しており、比較的緩やかな曲線を示してし
）ろ。

以上、光導波路８の形成方法を詳細に説明したが、この
光導波路８はＬＮＮ基板上り低い屈折率を有する原子を
含む拡散材料層、例えば酸化マグ不ノウム（ＭｇＯ）等
の拡散材料層を、Ｌ区基板１上の光導波路を形成しない
部分に形成し、この拡散材料層をＬＮＮ基板上光導波路
を形成しない部分に拡散させ、光導波路以外のＬＮＮ基
板上屈折率を減少させる方法によっても形成することが
できる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記の光導波路８の形成方法では、熱拡散に
より拡散材料層６をＬＮ基板１内に拡散させているので
、拡散の方向がＬ　Ｎ基板ｌの表面から内部に向って半
円を描く様に等方的となる（等方性拡散）か、もしくは
極めて近いものとなる。

したかって、所定の厚みの光導波路を得ようとすると同
時にこの光導波路の幅も広がってしまうために、光導波
路の厚みと幅を同時に制御することが非常に困難となり
、良好な断面形状の光導波路が得難いという問題があっ
た。

また、単純な拡散により光導波路８を形成しているので
、光導波路８とＬＮＮ基板色の境界近傍においては拡散
原子の濃度勾配を急峻なものにすることができず、緩や
かなものとならざるを得ない。したがって、屈折率分布
もなだらかなものとなり良好な光導波路を得ることが非
常に困難になるので光閉じ込め効果が弱くなるという問
題点があった。

光閉じ込め効果か弱くなると、特に光デバイスの曲がり
光導波路における伝送損失が大きくなり、光伝送上大き
な問題となる。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、急峻
な屈折率分布を有し、光を良好に閉し込めることのでき
る低損失の光導波路の形成方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、この発明は次の様な光導波
路の形成方法を採用した。すなわち、誘電体基板に光導
波路を形成する方法であって、前記基板の光導波路を形
成すべき部分に、前記基板より屈折率が高い高屈折率材
料を選択的に注入してイオン注入領域とし、このイオン
注入領域の上に前記基板より屈折率が高い高屈折率材料
からなる拡散材料層を形成し、その後、前記基板を加熱
処理することにより前記拡散材料層を前記基板内に拡散
させて高屈折率層とすることを特徴としている。

［作用］ この発明では、前記誘電体基板の光導波路を形成すべき
部分に形成された高屈折率層は、光導波路と前記基板と
の境界近傍の屈折率分布を急峻なものにし、光を良好に
閉じ込め、光の伝送損失を低減する。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例について説明
する。

まず、第１図に基づきこの発明に係る光導波路の形成方
法についてＬへ基板（誘電体基板）を例に採り説明する
。

■　：第１図（ａ）参照　： ます、清浄表面を何するＬＮ基板２１を用意する。次に
、イオン注入装置により加速電圧２５ｋＶにて加速した
高屈折率材料（チタン（Ｔ１）イオン）２２を光導波路
パターンに合わせて集束、走査することにより、ＬＮ基
板２Ｉの上面２１ａにイオンドーズ５　ｘ　ｌ　Ｏ”／
　ｃｍ’のイオン注入領域２３を形成する。このイオン
注入領域２３の形状は、例えば、２×２基板型光スイツ
チの場合では、光結合領域において幅６μｍ、光導波路
間隔４μｍ程度である。

■［第１図（ｂ）参照］ リフトオフ法により、イオン注入領域２３の上全域に拡
散材料層２４を形成する。この拡散材料層２４は、ＬＮ
Ｎ基板色り高い屈折率を育する厚み２００人のチタン（
Ｔ　ｉ）Ｉ膜である。この厚みは従来の熱拡散法により
作成される光導波路と同一である。

■：第１図（ｃ）参照−１ ＬＮ基板２１を拡散炉に挿入し、最高温度１０５０°Ｃ
にて４時間加熱処理を行い、拡散材料層２４をＬへ基板
２１内に拡散させ、高屈折率層２５を形成する。この高
屈折率層２５が光導波路２６となる。

以上説明した様に、上記実施例の光導波路の形成方法に
よれば、ＬＮ基板２Ｉの光導波路を形成すべき部分に、
ＬＮ基板２１より屈折率が高い高屈折率材料（チタン（
Ｔ　ｉ）イオン）２２を選択的に注入してイオン注入領
域２３としたので、高い運動エネルギーを何するイオノ
注入の効果により短時間でイオン注入領域２３を形成す
ることができる。

また、このイオン注入領域２３の上にチタン（Ｔｉ）か
らなる拡散材料層２４を形成し、その後、ＬＮ基板２１
を加熱処理することにより拡散材料層２４をＬＮ基板２
１内に拡散させて高屈折率層２５としたので、イオン注
入による結晶構造の一部破壊や結晶格子間の注入原子に
よる結晶構造の歪により、イオン注入量に応じてイオン
拡散が促進されることとなり（拡散促進効果）、この新
たなイオン注入領域がイオン拡散源となるために拡散速
度が上昇し、短時間で良好な高屈折率層２５を形成する
ことができる。

また、加熱処理することにより結晶構造が再配列するの
で、イオン注入による結晶構造の一部破壊や結晶格子間
の注入原子による結晶構造の歪は加熱処理により消失し
良好な結晶構造とすることができる。

以上述べた様に、上記実施例によれば、イオン注入によ
る拡散促進効果を利用することにより、急峻な屈折率分
布を有し、光を良好に閉じ込めることのできる低損失の
光導波路の形成方法を提供することができる。

以上、光導波路２６の形成方法を詳細に説明したが、こ
の光導波路２６はイオン注入領域２３を含むＬＮ基板２
１の上面２１ａ全域に拡散材料層２４を形成し、その後
加熱処理を行い、光導波路２６以外のＬＮ基板２１上の
拡散材料層２４を研磨等により除去する方法によっても
光導波路２６を形成することができる。

また、イオン注入領域２３を形成する手段としては、Ｌ
Ｎ基板２１より屈折率か高い高屈折率材料（チタン（Ｔ
　ｉ）イオン）２２を選択的に注入しているが、上記の
イオン注入と同様のイオン注入領域が形成作用できるも
のであればよく、上記実施例に特に限定されるものでは
ない。

第２図及び第３図は、上記の方法により形成された光導
波路の構造の一例を示す２×２基板型光スイツチ（以下
、光スィッチと略称する）３１の図である。

この光スィッチ３１は、ＬＮ基板（誘電体基板）３２の
上面３２ａに光結合領域３３を有する２つの光導波路３
４．３５が形成されたものである。

この光結合領域３３の光導波路３４の上には電極３６が
、また、光導波路３５の上には電極３７゜３８が形成さ
れている。

光導波路３４（３５）は、第３図に示す様に、ＬＮ基板
３２の光導波路を形成すべき部分に高屈折率材料（チタ
ン（Ｔ　ｉ）イオン）をイオン注入法により注入し、高
屈折率層４０としたものである。ここで、第３図（ａ）
はＳ　ＩＭ　Ｓ　（Ｓ　ｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍ
ａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオンマスス
ペクトロメトリー）あるいはオージェ分光分析等により
断面方向の高屈折率材料（チタン（Ｔ　ｉ））の濃度分
布を測定した参考データである。

この高屈折率層４０においては、高屈折率材料（チタン
（Ｔ　ｉ）原子）はＬＮ基板３２の表面３２ａから内部
に向って高屈折率層４０とＬＮ基板３２との境界領域４
１で急峻に濃度が低下する様に分布している。この高屈
折率層４０の水平方向（Ｘ方向）及び深さ方向（ｄ方向
）の屈折率（ｎ）分布は、第３図（ｂ）及び（ｃ）に示
す様に高屈折率材料（チタン（Ｔ　ｉ）原子）の濃度分
布に依存しており、高屈折率層４０の中央近傍か高屈折
率部、境界領域４１が屈折率の急変部、ＬＮ基板３２が
低屈折率と明瞭に区分されている。

電極３６は、上層の電極層３６ａと下層の電極バッファ
層３６ｂの２層により構成されたしのであり、電極３７
（３８）も全く同様の構成である。

上記の様に構成された光スィッチ３１においては、光導
波路３４の一端部３４ａから入射した光は、これらの電
極間に電圧が印加されない場合には他端部３４ｂから外
方へ出射するか、これらの１を極間に電圧か印加された
場合には光結合領域３３において光導波路３４から光導
波路３５に移行し、光導波路３５の一端部３５ａから外
方へ出射する。すなわち、光スィッチとしての動作を行
う。

以上、詳細に説明した様に、この光スィッチ３！におい
ても、高屈折率材料（チタン（Ｔ１）原子）は、ＬＮ基
板３２の表面３２ａから内部に向って高屈折率層４０と
ＬＮ基板３２との境界領域４１て急峻に低下する様に、
その濃度が分布しているので、急峻かつ良好な屈折率分
布を有することとなり、光を良好に閉し込めることので
きる低損失の光導波路３４．３５を有する光スィッチ３
１を提供することができる。

Ｕ発明の効果］ 以上詳細に説明した様に、この発明によれば、誘電体基
板に光導波路を形成する方法であって、前記基板の光導
波路を形成すべき部分に、前記基板より屈折率が高い高
屈折率材料を選択的に注入してイオン注入領域としたの
で、高い運動エネルギーを有するイオンの注入により短
時間でイオン注入領域を形成することができる。

また、前記イオン注入領域の上に前記基板より屈折率が
高い高屈折率材料からなる拡散材料層を形成し、その後
、前記基板を加熱処理することにより前記拡散材料層を
前記基板内に拡散させて高屈折率層としたので、イオン
注入による結晶構造の一部破壊や結晶格子間の注入原子
により生じた結晶構造の歪により、イオン注入量に応じ
てイオン拡散が促進されることとなり（拡散促進効果）
、この新たなイオン注入領域がさらにイオン拡散源とな
るために拡散速度が上昇し、短時間で良好な高屈折率層
が形成できる。

また、加熱処理することにより結晶構造が再配列するの
で、イオン注入による結晶構造の一部破壊や結晶格子間
の注入原子による結晶構造の歪は、この加熱処理により
消失し良好な結晶構造か再生される。

以上述べた様に、イオン注入による拡散促進効果を利用
することにより、急峻な屈折率分布を有し、光閉じ込め
の良好な低損失光導波路の形成方法を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例を示す図であ
って、第１図は光導波路の形成方法を示す工程説明図、
第２図及び第３図は上記の方法により形成された光導波
路の構造の一例を示す基盤型光スイッチの図、第４図な
いし第６図は従来の光導波路の形成方法を示す図であっ
て、第４図は光導波路の形成方法を示す工程説明図、第
５図及び第６図は上記の方法により形成された光導波路
の構造の一例を示す図である。 Ｉ ＬＮ基板（誘電体基板）、 高屈折率材料（チタン（Ｔ　ｉ）イオン）、イオン注入
領域、 拡散材料層、 高屈折率層、 光導波路、 第１図 チ）、 ２×２基盤型光スイツチ（光スイツ ＬＮ基板（誘電体基板）、 光結合領域、 光導波路、 ３８　・　・　電極、 高屈折率層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 誘電体基板に光導波路を形成する方法であって、前記基
   板の光導波路を形成すべき部分に、前記基板より屈折率
   が高い高屈折率材料を選択的に注入してイオン注入領域
   とし、このイオン注入領域の上に前記基板より屈折率が
   高い高屈折率材料からなる拡散材料層を形成し、その後
   、前記基板を加熱処理することにより前記拡散材料層を
   前記基板内に拡散させて高屈折率層とすることを特徴と
   する光導波路の形成方法。